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Fehlerquellen beim Messen mit Widerstandsthermometern
Mangelnder Isolationswiderstand
Bedingt durch einen endlichen Widerstand zwischen den Zuleitungen sowie im Isolationsmaterial, in das der Sensor eingebettet ist, kann bei schlechtem Isolationswiderstand
ein weiterer Messfehler auftreten, der eine zu niedrige Temperaturanzeige bewirkt. Bezogen auf ein Pt100-Thermometer ergibt sich bei einem Isolationswiderstand von 100 kOhm ein Anzeigefehler von 0,25K bzw. bei 25 kOhm von 1K. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Isolationswiderstände kann der durch sie verursachte Fehler mit den Messbedingungen variieren. Speziell bei keramischen Isolationsmaterialien sinkt der Widerstand mit zunehmender Temperatur. Bedingt durch die relativ niedrige Maximaltemperatur von ca. 600°C, fällt der Effekt bei Platin-Temperatursensoren jedoch kaum ins Gewicht. Eine erheblich größere Wirkung hat in die Isolation eindringende Feuchtigkeit, die deutliche Messfehler zur Folge haben kann. Die Sensoren sind daher im allgemeinen durch Glasurüberzüge oder andere Versiegelungen hermetisch abgedichtet. Der Messeinsatz selbst ist ebenfalls abgedichtet, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Sondenrohr zu vermeiden. Messeinsätze können unbedenklich ausgetauscht werden, da sie eine geschlossene Einheit bilden. Bei Reparaturen von Widerstandsthermometern ohne Messeinsatz dagegen, muss unbedingt auf eine zuverlässige Abdichtung geachtet werden.
Eigenerwärmung
Damit das Ausgangssignal eines Widerstandsthermometers gemessen werden kann, muss der Sensor von einem Strom durchflossen werden. Dieser Messstrom erzeugt eine Verlustleistung und somit Wärme am Sensor. Es kommt zu einer höheren Temperaturanzeige. Die Eigenerwärmung hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem davon, in welchemMaße die erzeugte Verlustleistung vom Messmedium abgeführt werden kann. Wegen des Zusammenhanges für die elektrische Leistung als P = R x I 2 ist der Effekt auch vom Grundwert des Temperatursensors abhängig: Bei gleichem Messstrom wird ein Pt1000-Temperatursensor zehnmal stärker erwärmt als ein Pt100. Außerdem bestimmen Konstruktionsmerkmale (Größe des Thermometers) sowie die Wärmeleitung und -kapazität den Messfehler. Die Wärmekapazität und die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums beeinflussen den Effekt ebenfalls in starkem Maße.
Die Thermometerhersteller geben häufig einen Selbsterwärmungskoeffizienten an, der ein Maß für die Temperaturerhöhung durch eine definierte Verlustleistung im Sensor ist. Derartige kalometrische Messungen werden unter festgelegten Bedingungen durchgeführt (in Wasser mit 0,5m x s -1 bzw. Luft mit 2m x s -1 ), die Angaben haben jedoch eher theoretischen Charakter und dienen als Vergleichswerte verschiedener Konstruktionsvarianten. In den meisten Fällen wird der Messstrom vom Gerätehersteller auf 1mA festgelegt,
da sich dieser Wert als praxistauglich erwiesen hat und keine nennenswerte Eigenerwärmung erzeugt.
Befindet sich beispielsweise in einem völlig wärmeisolierten, abgeschlossenen Behälter mit 10cm 3 Luft ein Pt 100-Temperatursensor bei dem genannten Messstrom von einem Milliampere, so hätte dieser nach einer Stunde die Luft um 39K erwärmt. Bei strömenden Gasen oder Flüssigkeiten ist der Effekt durch die um ein Vielfaches größere abgeführte Wärmemenge weniger deutlich. Je nach vorherrschenden Messbedingungen muss die Eigenerwärmung vor Ort gemessen werden. Hierzu wird bei verschiedenen Stromstärken die Temperatur aufgenommen. Der Eigenerwärmungskoeffizient E ergibt sich wie folgt:
Mit .t = (angezeigte Temperatur) - (Temperatur des Mediums), R = Widerstand des Thermometers, I = Messstrom
Mit Hilfe des Erwärmungskoeffizienten lässt sich wiederum der maximale Messstrom bestimmen, wenn ein Messfehler .t zugelassen wird.
Parasitäre Thermospannungen
Auch bei der Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern tritt der Effekt der Thermospannungen auf, hier allerdings als recht unerwünschter Nebeneffekt. Thermospannungen können an der Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Metalle entstehen. Derartige Metallübergänge treten beim Widerstandsthermometer an den Zuleitungen auf: So bestehen die Anschlussdrähte der Sensoren vielfach aus Silber, die - z. B. als Innenleitung - mit Kupfer oder Nickel verlängert werden. Normalerweise kann davon ausgegangen werden, dass sich beide Kontaktstellen auf gleicher Temperatur befinden, und sich die entstehenden Thermospannungen somit aufheben. Tatsächlich können sich aber auf Grund unterschiedlicher Wärmeableitung nach außen unterschiedliche Temperaturen einstellen. Die so entstehende Thermospannung wird von der Auswerteelektronik als Spannungsabfall interpretiert, und es kommt zu einem falschen Messwert. Je nach dem Vorzeichen der entstehenden Thermospannung ist ein zu hoher oder zu niedriger Wert möglich. Der Betrag des hierdurch verursachten Fehlers ist stark von den Eigenschaften der Auswertelektronik abhängig, namentlich davon, wie eine Spannung als Temperatur ausgewertet wird.
Eine einfache Methode zur Diagnostizierung des Messfehlers ist die Durchführung zweier Messungen mit umgekehrter Richtung des Messstromes. Je größer dabei die
Differenz beider Messwerte ist, desto höher ist die erzeugte Thermospannung.
Übergangsfunktion
Wegen der stets vorhandenen thermischen Widerstände im Fühler wird dieser nie sofort, sondern immer verzögert reagieren. Die hierdurch verursachte Messabweichung infolge des zeitlichen Nacheilens des Messwertes bzw. Ausgangssignales gegenüber einem sprunghaft geänderten Wert der Messgröße wird als Nachlaufabweichung bezeichnet.
Vereinfacht kann man sich das Thermometer aus Widerständen und Energiespeichern zusammengesetzt vorstellen. Die Materialien besitzen verschiedene Wärmeleitfähigkeiten
und bilden die Widerstände. Die Materialmassen und ihre zugehörigen Wärmekapazitäten stellen die Energiespeicher dar. Oftmals haben die Komponenten des Thermometers beide Eigenschaften gleichzeitig. Wie schnell das Thermometer anspricht, hängt in erster Linie vom Verhältnis des thermischen Widerstandes zum Wärmespeichervermögen des Thermometers ab. Je größer dieser Wärmewiderstand ist, desto langsamer erwärmt es sich. Für kurze Ansprechzeiten sollten daher immer möglichst kleine Sensoren und gut wärmeleitende, dünne Materialien verwendet werden. Besonders ungünstig wirken sich Luftspalten zwischen dem Messeinsatz und dem Schutzrohr aus, da alle Gase sehr schlechte Wärmeleiter sind. Hier schaffen Wärmeleitpasten bzw. Metalloxid Abhilfe, in die der Messeinsatz eingebettet wird. Thermoelemente haben wegen der geringen thermischen Masse grundsätzlich geringere Ansprechzeiten als Widerstandsthermometer. Dies trifft insbesondere für dünne Mantelthermoelemente zu. In den meisten Fällen wird der Unterschied jedoch durch die vergleichsweise große Wärmekapazität der Schutzarmatur völlig überdeckt. Allgemein nimmt die Ansprechzeit mit wachsendem Schutzrohrdurchmesser zu. Es sollten daher möglichst kleine Schutzrohrdurchmesser und dünnwandige Armaturen verwendet werden, sofern die mecchanischen Gegebenheiten dies zulassen.
Auch das Wärmeleitvermögen des Schutzrohrmaterials ist von großer Bedeutung. Kupfer und Eisen sind vergleichsweise gut wärmeleitend, Edelstahl und Keramik hingegen
nicht.
Die Übergangsfunktion, d.h. der Verlauf des Messwertes bei sprungförmig veränderter Temperatur am Fühler, gibt hierüber Auskunft. Zur Ermittlung der Übergangsfunktion wird das Thermometer von warmem Wasser oder Luft angeströmt, wozu spezielle Versuchsaufbauten, beispielsweise in der DIN EN 60751, vorgeschrieben sind. Zwei Zeiten (Einstelldauern) charakterisieren die Übergangsfunktion:
- Halbwertzeit t 0,5
Sie gibt an, in welchem Zeitraum der Messwert 50% des Endwertes erreicht, und die
- Neunzehntelzeit t 0,9
in der 90% des Endwertes erreicht sind.
Eine Zeit, die zum Erreichen von 63,2% des Endwertes erforderlich ist, wird wegen der möglichen Verwechslung mit der Zeitkonstanten einer e-Funktion nicht angegeben. Die Wärmeübergangsfunktion praktisch aller Thermometer weicht deutlich von einer solchen Funktion ab.
Einfluss der Messleitung
Bei Messungen mit Widerstandsthermometern können konstruktiv oder messtechnisch bedingte Einflüsse das Messergebnis verfälschen. Im folgenden werden die wichtigsten Effekte, die zu Fehlmessungen führen können, erläutert:
Wie schon an anderer Stelle beschrieben, geht der Leitungswiderstand in die Messung wie ein zum Sensor in Reihe geschalteter Widerstand ein. Gerade bei größeren Anlagen und damit verbundenen längeren Anschlusswegen kann der Leitungswiderstand in der Größenordnung des Messwiderstandes liegen. Daher ist die Kompensation des Leitungswiderstandes zwingend erforderlich, die meist in einer Nullpunktverschiebung des angeschlossenen Gerätes besteht. Eine derartige Kompensation berücksichtigt jedoch nicht temperaturabhängige Änderung des Leitungswiderstandes. Unterliegt die Anschlussleitung wechselnden Temperaturen, führt dies zu mehr oder weniger deutlichen Fehlmessungen. Dieser Effekt tritt jedoch erst bei größeren Leitungswiderständen zutage, das heißt bei großen Leitungslängen mit kleinen Drahtquerschnitten.
Wärmeableitfehler
Ein Thermometer wird selten im Bereich der Umgebungstemperatur eingesetzt. Liegt die Messtemperatur ober- oder unterhalb der Umgebungstemperatur, entsteht am Thermometer ein Temperaturgradient zwischen Messort und Umgebung. Hieraus resultiert eine Verfälschung der Temperaturanzeige:
Die Wärme fließt über dasSchutzrohr oder durch den Innenaufbau des Thermometers vom wärmeren zum kühleren Ort. Weiterhin ist der Sensor mit der Zuleitung verbunden, durch die eine direkte metallische Verbindung zwischen Sensor und Umgebung gebildet wird, die als Wärmebrücke ebenfalls eine Verfälschung zur Folge hat. Gute elektrische Leiter haben stets auch einen geringen thermischen Widerstand; der Forderung nach einem geringen Widerstand der Zuleitungen steht demnach immer die Tatsache entgegen, dass sie einen großen Wärmeableitfehler bewirken. Weiterhin bestimmt die Konstruktion des Thermometers den Wärmeableitfehler. Der Sensor muss eine gute thermische Verbindung zum Schutzrohr bei gleichzeitiger thermischer Entkopplung von den Anschlussleitungen haben. Die Einbaulänge des Thermometers darf nicht zu gering gewählt werden, da ansonsten
zuviel Wärme abgeführt werden kann. Die Eintauchtiefe (die Länge des Thermometerteiles, die der Messgröße ausgesetzt ist) hängt auch von der Art des Messmediums und der von ihr pro Zeiteinheit übertragenen Wärmemenge ab. Eine schnellströmende Flüssigkeit beispielsweise überträgt mehr Wärme und kann daher die Wärmeableitung des Thermometers besser kompensieren als ruhende Luft. Bei Messungen in Flüssigkeiten genügen allgemein 50 Prozent der Einbaulänge gegenüber Gas.
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